[發(fā)明專利]一種基于三層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧人工電磁材料及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210026732.9
• 申請(qǐng)日: 2012-02-07
• 公開（公告）號(hào): CN102556950A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱傳凱;胡承剛;岳衢;張鐵軍;李國(guó)俊;羅先剛;潘麗;李飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): B81C1/00
• 分類號(hào): B81C1/00;H01Q15/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 李新華;成金玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納光學(xué)元件制作及微納加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于三層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧人工電磁材料及其制作方法，用于紅外、太赫茲波段的人工電磁材料及其制備。

背景技術(shù)

人工電磁材料是指在自然界中本身并不存在或者沒有被發(fā)現(xiàn)，而是由電磁學(xué)理論的推導(dǎo)計(jì)算設(shè)計(jì)并制作出來的，具有非常規(guī)的電磁屬性的人造媒質(zhì)或材料。人工電磁材料通常是由有共振響應(yīng)的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元周期性排列(或者非周期)而成。由于其結(jié)構(gòu)單元一般比對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，應(yīng)此整體結(jié)構(gòu)對(duì)于外界電磁場(chǎng)的響應(yīng)可以看成是一個(gè)平均的效果，所以其整體的電磁特性可以通過等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來描述。這些材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以接近零甚至為負(fù)值，表現(xiàn)出奇異的電磁特性。利用這些奇異的特性，可以實(shí)現(xiàn)平板聚焦、完美透鏡、超薄諧振腔等功能，在微波和光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值，在軍事和日常生活中能夠發(fā)揮重要的作用。因此，近年來人工電磁材料已經(jīng)成為國(guó)際上一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。

人工電磁材料的結(jié)構(gòu)有多種，但多數(shù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。當(dāng)人工電磁材料的適用波段為微波時(shí)，加工較為容易，而當(dāng)適用波段為紅外甚至可見光時(shí)，材料的加工就十分困難。金屬線對(duì)是目前設(shè)計(jì)人工電磁材料的一種基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，金屬線對(duì)的設(shè)計(jì)有狹縫結(jié)構(gòu)，該狹縫不會(huì)破壞原有金屬線對(duì)結(jié)構(gòu)的磁響應(yīng)特性，而且能夠在原有磁諧振的基礎(chǔ)上引入額外的電諧振，使電諧振和磁諧振在同一單元結(jié)構(gòu)中得到共同調(diào)制。其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于加工制作，受到了廣泛的關(guān)注。

此類人工電磁材料的制備常涉及到金屬/介質(zhì)/金屬三層結(jié)構(gòu)的膜層制備，其中介質(zhì)通常為非晶硅，二氧化硅，氮化硅，氟化鎂，三氧化二鋁等。如制備可見光波段的人工電磁材料的結(jié)構(gòu)膜層通常為Ag/Al₂O₃/Ag；制備近紅外波段的人工電磁材料的結(jié)構(gòu)膜層通常為Au/MgF₂/Au。利用真空蒸鍍或磁控濺射的方法能夠?qū)崿F(xiàn)這些膜層的制備。而根據(jù)人工電磁材料的設(shè)計(jì)要求，可能要滿足一些特殊三層結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層制備，如類似金屬/高濃度均勻摻雜硅/金屬的結(jié)構(gòu)，此時(shí)便無法通過蒸鍍或?yàn)R射的方法來制作高濃度均勻摻雜硅。因?yàn)樵摻橘|(zhì)層的摻雜濃度和均勻性都無法在鍍膜過程中控制。其他的方法如離子注入法是硅摻雜的常用方法，但是該方法也不能控制縱向的摻雜均勻性；若采用分子束外延法和鍵合法又受限于該介質(zhì)層下的金屬層。因此需要提出一種用于制作金屬/高濃度均勻摻雜硅/金屬三層結(jié)構(gòu)的新方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)現(xiàn)有人工電磁材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出一種基于金屬-摻雜介質(zhì)-金屬的開口金屬線對(duì)的陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)調(diào)制的作用；并對(duì)于現(xiàn)有高濃度均勻摻雜介質(zhì)制備技術(shù)的局限性，提出一種制備金屬-摻雜介質(zhì)-金屬的三層結(jié)構(gòu)的方法，并基于該三層結(jié)構(gòu)制備紅外、太赫茲波段的人工電磁材料。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于三層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧人工電磁材料制作方法，步驟如下：

步驟(1)選取合適的雙面拋光的SOI片，清洗干凈，并在SOI片頂層的摻雜硅表面沉積一層金屬膜；

步驟(2)另取單面拋光的硅片，在拋光表面涂覆一層粘結(jié)劑；

步驟(3)利用粘連劑將沉積有金屬膜的SOI片與硅片粘結(jié)，并將粘結(jié)好的硅片-SOI片進(jìn)行烘烤固化；

步驟(4)利用干法刻蝕將硅片-SOI片結(jié)構(gòu)中SOI片的底層單晶硅進(jìn)行刻蝕減薄；

步驟(5)采用氫氧化鉀濕法腐蝕，將硅片-SOI片結(jié)構(gòu)中SOI片上剩余的底層單晶硅腐蝕完畢，使SOI片的二氧化硅中間層露出；

步驟(6)采用氫氟酸濕法腐蝕，將硅片-SOI片結(jié)構(gòu)中SOI片的二氧化硅中間層腐蝕完畢，露出摻雜硅表面；

步驟(7)在步驟(6)中的摻雜硅表面沉積一層金屬膜，從而在硅片上形成金屬-摻雜介質(zhì)-金屬的三層結(jié)構(gòu)；

步驟(8)在所得金屬-摻雜介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)上涂覆光刻膠，并在烘箱或熱板中進(jìn)行前烘；

步驟(9)利用光刻設(shè)備對(duì)基片進(jìn)行曝光，在光刻膠上獲得所設(shè)計(jì)的二維周期性陣列微納結(jié)構(gòu)圖形，并置于烘箱或熱板中進(jìn)行堅(jiān)膜；

步驟(10)采用干法刻蝕將步驟(9)中的光刻膠圖形轉(zhuǎn)移至金屬-摻雜介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)中的上層金屬；

步驟(11)用有機(jī)溶劑浸泡刻蝕后的樣品，將刻蝕后剩余的光刻膠去除，即可獲得基于金屬-摻雜介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧人工電磁材料。